Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

В. Работа в режиме электромагнитного тормоза. Если ротор асинхронной машины приводится во вращение против вращения магнитного поля статора, то такой режим работы называется режимом

электромагнитного тормоза. При этом скольжение s = *!±~Ä— ^ > 1 ;

П1

следовательно, оно может изменяться от значения s = + 1, когда п — 0, и теоретически достигать значения s = + °о.

Работа асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза используется в подъемно-транспортных устройствах.

Из рассмотренных трех режимов работы асинхронной машины наибольшее значение имеет ее работа в режиме двигателя. Этому режиму работы уделяется главное внимание, тогда как режимы работы генератором и электромагнитным тормозом рассматриваются как специальные.

22-4. Конструктивные элементы трехфазного асинхронного двигателя

На рис. 22-2 и 22-3 изображены продольные разрезы двигателей с короткозамкнутой и фазной обмоткой ротора. Независимо от типа двигателя сердечники ротора и статора выполняются из листов

Рис. 22-2. Асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора

1 — обмотка ротора, 2 — сердечник ротора, 3 — сердечник статора, 4 — обмотка статора, 5 — лопасти вентилятора, в — коробка зажимов

электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаковой пленкой, а в двигателях малой мощности — слоем окалины, образующейся на поверхности листа.

297

Пазы статора чаще всего частично открытые. Так выполнена, например, серия А2 двигателей мощностью от 0,6 до 100 кет. Откры­ тые пазы предпочтительнее в двигателях большой мощности повы­ шенного напряжения (3 и 6 кв). В первом случае применяются всып-

Рис. 22-3. Асинхронный двигатель с фазной обмоткой ротора

1 — обмотка ротора, 2 — сердечник ротора, 3 — сердечник статора, 4 — обмотка статора, 5 — контактные кольца, 6 — коробка зажимов

ные обмотки из круглых проводников (рис. 18-4), во втором случае обмотка выполняется в форме жестких катушек из проводников пря­ моугольного сечения. В двигателях первых габаритов, т. е. ма­ лой мощности, применяется однослойная обмотка (рис. 19-5),

ав двигателях большей мощности — двухслойная обмотка с

с хорошими характеристиками. Простейшим видом обмотки ротора является обмотка в форме беличьей клетки (рис. 22-4). В настоящее время такая обмотка осуще­ ствляется путем заливки пазов ротора алюминием; пазы в этом случае выполняются закрытыми (рис. 22-5). Мостик 1, перекрываю­ щий паз сверху, имеет толщину 0,4—0,5 мм. Одновременно с залив-

298

I кой пазов отливаются кольца, замыкающие стержни с торцов ротора и лопасти вентилятора (рис. 22-4).

Пазы двигателей глубокопазного и с двойной беличьей клеткой показаны на рис. 28-9, а, б и 28-12, а.

В двигателях с фазной обмоткой ротора чаще всего применяются частично открытые пазы. В пазы укладывается обычно трехфазная обмотка, которая соединяется звездой или треугольником и выво­ дится к трем контактным кольцам 5, расположенным на валу двига­ теля (рис. 22-3). В двигателях средней и большой мощности приме­ няется двухслойная стержневая волновая обмотка. Предварительно

100 до 1000 кет все двигатели с фазной обмоткой ротора выпол­ няются с постоянно налегающими щетками.

Весьма важным является вопрос об охлаждении асинхронных двигателей. В брызгозащищенных двигателях единой серии А2 мощностью от 0,6 до 100 кет применена радиальная двусторонняя система вентиляции (рис. 22-3) вместо ранее применявшейся осевой системы. На рис. 22-2 показаны лопасти 5 вентиляторов, отливаемых одновременно с заливкой пазов ротора алюминием. Закрытые обду­ ваемые двигатели (АО) выполняются с двумя вентиляторами, один из которых служит для обдува наружной поверхности двигателя,

адругой — для циркуляции воздуха внутри двигателя; с этой целью в сердечнике ротора предусмотрены осевые вентиляционные каналы,

ав станине — продольные каналы, соединяющие правую и левую половины двигателя.

Г л ав а д в а д ц а т ь т р е т ья

ТРЕХФАЗНАЯ АСИНХРОННАЯ МАШИНА ПРИ НЕПОДВИЖНОМ РОТОРЕ

23-1. Предварительные замечания

При неподвижном роторе асинхронная машина представляет собой трансформатор, отличающийся от трансформатора нормального исполнения только в конструктивном отношении: распределенной

299

обмоткой статора и ротора, наличием зазора и т. и. Что же касается физической сущности явлений, то в обоих случаях она одинакова, поскольку взаимодействие между статором и ротором асинхронной машины осуществляется только магнитным путем, т. е. так же как между первичной и вторичной обмотками трансформатора. С этой точки зрения целесообразно начать изучение асинхронных машин, так же как и трансформаторов, с изучения предельных режимов работы машины — холостого хода и короткого замыкания — с тем, чтобы в дальнейшем распространить представление об асинхронной машине как о трансформаторе также и на случай машины с вращаю­ щимся ротором.

Ниже рассматривается трехфазная асинхронная машина с фазной обмоткой ротора (рис. 22-3), так как в этом случае можно по жела­ нию разомкнуть цепь ротора, замкнуть ее накоротко или через некоторое сопротивление.

При анализе работы машины учитываются только первые гармо­ нические всех переменных величин — э. д. с., тока, намагничиваю­ щих сил, а в случае необходимости отмечается влияние высших гармонических.

23-2. Холостой ход при разомкнутой обмотке ротора

Обмотка статора включена в сеть, цепь ротора разомкнута. Под действием подведенного к статору напряжения иг по обмотке статора течет ток холостого хода г0, создающий вращающийся со скоростью

300

В рассматриваемых условиях асинхронная машина представляет собой трансформатор при холостом ходе. Но при этом нужно учесть, что асинхронная машина имеет зазор, и поэтому ее намагничиваю­ щий ток / п гораздо больше, чем в трансформаторах, а именно: в дви­ гателях большой и средней мощности 100 / 0//„ = 25 ч- 35%, а в дви­ гателях малой мощности (начиная от 0,6 кет) — 35 -ь 60%. Относи­ тельно больше (по сравнению с трансформатором) и сопротивления гх и хх. Поэтому падения напряжения / 0гх и I 0xj, исчезающе малые при холостом ходе трансформаторов, в асинхронной машине состав­ ляют в зависимости от мощности машины, 2 -н 8% напряжения Uv Ріо все же и здесь основной поток и соответственно э. д. с. Ех имеют главное значение, а потому в приближенных рассуждениях можно считать, что

(23-2)

Поэтому векторная диаграмма холостого хода неподвижной асинхронной машины строится совершенно так же, как для транс­

где іѵх — число последовательно соединенных витков фазной обмотки

Сопоставляя эту зависимость с формулой (23-2), можно видеть, что в асинхронной машине, так же как в трансформаторе, основной магнитный поток статора определяется главным образом приложен­ ным напряжением. В дальнейшем этот вывод распространяется и на режимы работы под нагрузкой, вплоть до номинальной.

Основной поток наводит в фазе ротора э. д. с.

между собой; /тоб2 — обмоточный коэффициент обмотки ротора. Отношение

Ех

(23-6)

Е2 ^2^002

называется коэффициентом трансформации э. д. с. и отличается от коэффициента трансформации трансформатора только отношением обмоточных коэффициентов.

Так как п — 0, то мощность Р0, подводимая к двигателю из сети, идет только на покрытие потерь в двигателе, а именно: потерь в обмотках статора Рэ1, потерь в стали статора РС1 и потерь в стали ротора РС2. Следовательно,

301

23-3. Короткое замыкание асинхронной машины

Если обмотка ротора асинхронного двигателя замкнута накоротко и ротор заторможен, то будет иметь место режим короткого замыка­ ния, при котором асинхронная машина подобна трансформатору с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Разница только та, что при номинальном напряжении установившийся ток короткого замы­ кания /„ двигателя превышает его номинальный ток / н в 4—7 раз, тогда как в трансформаторе / к — (10—18) Ік. Тем не менее двигатель нельзя длительно оставлять при коротком замыкании под полным напряжением во избежание чрезмерного нагревания и повреждения

изоляции обмоток. Поэтому для определения параметров короткого замыкания делают опыт короткого замыкания, т. е. к двигателю подводят такое пониженное напряжение, при котором ток / к да Іа или в некоторых случаях на короткое время был больше

Физическая сущность явлений при коротком замыкании асин­ хронной машины принципиально та же, что и в трансформаторе. Поэтому в обоих случаях будут одинаковые уравнения напряжения и э. д. с. и намагничивающих сил [формулы (13-4), (13-5), (13-8)], одинаковые схемы замещения при коротком замыкании и одинаковые диаграммы (рис. 13-3, г и 13-4).

Картина потоков при коротком замыкании асинхронной машины показана на рис. 23-2. Если пренебречь, так же как в трансформато­

Если учитывать, согласно условию, только первые гармониче­ ские намагничивающих сил, то будут две синусоидальные волны с равными по величине амплитудами І'\ и F2, вращающиеся в зазоре машины в одном и том же направлении и с одной и той же скоростью

пі — 60 ftp (рис. 23-3).

302

Равенство (23-8) после подстановки значений F1 и F2 по формуле (21-12) примет вид:

откуда

(23-9)

т2іѵгк0б2

Здесь к{ — коэффициент трансформации токов; т1 и т2 — число фаз обмоток статора и ротора в общем случае.

23-4. Приведенная асинхронная машина при п — 0

Так же как в трансформаторах, одну из обмоток, обычно обмотку ротора, приводят к обмотке статора. Под приведенной обмоткой ротора понимают такую обмотку, которая имеет то же число фаз, то же число витков в фазе и то же расположение обмотки, что и об­ мотка статора.

А. Приведенная э. д. с. ротора. Согласно формуле (23-6),

Ток І2 называется приведенным током ротора.

В. Приведенные сопротивления ротора. При определении при­ веденных активного и индуктивного сопротивлений ротора г2 и х2

t

303

Тогда по аналогии с трансформатором (§ 13-6)

Сопротивления гк и хи называются параметрами короткого замы­ кания асинхронной машины.

Мощность Рк, потребляемая машиной при коротком замыкании, практически идет только на покрытие потерь в обмотках статора и ротора, т. е.

В противоположность трансформаторам параметры гк и хк асин­ хронных машин не всегда постоянны. Так, например, в двигателях с закрытыми пазами хІ( сильно зависит от величины тока, причем зависимость = / (/) представляет собой кривую гиперболического вида. В глубокопазных двигателях г„ и хѵ зависят от частоты / (§ 28-6). Способы определения этих параметров излагаются в посо­ биях по испытанию электрических машин.

23-5. Работа заторможенной асинхронной машины при нагрузке

При включении последовательно с каждой фазной обмоткой ротора добавочного сопротивления Za, асинхронную машину можно рассматривать как трансформатор под нагрузкой.

Соответственно этому имеют тот же вид, что и в трансформаторах, уравнения равновесия напряжения и э. д. с. и намагничивающих сил, схема замещения и векторная диаграмма. Ниже они приводятся главным образом для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность сопоставить явления и процессы в неподвижной и вращающейся асинхронной машине.

Уравнение равновесия напряжений и э. д. с. статора повторяет

Если ротор приведен к статору и в цепь ротора введено сопротив­ ление Zj, на котором напряжение равно ?/•>, то уравнение равновесия

напряжения и э. д. с. напишется аналогично (14-2а)

Ё'ч— i%Z' = Щ

или

При работе асинхронной машины под нагрузкой намагничиваю­ щей составляющей I0w1 нельзя пренебречь. Поэтому уравнение намагничивающих сил имеет вид:

304

Г л ав а д в а д ц а т ь че т в е р т а я

РАБОТА АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ ПРИ ВРАЩЕНИИ РОТОРА

24-1. Основные соотношения при работе вращающейся асинхронной машины

Если асинхронная машина работает двигателем, то ротор машины вращается в направлении вращения поля со скоростью п, всегда меньшей, чем скорость поля статора пх (22-ЗЛ). Пусть двигатель имеет нулевую нагрузку, т. е. преодолевает только тормозной момент холостого хода МТ0. Если иметь в виду двигатели с шарикоподшип­

Дальше рассматриваются явления в роторе в общем случае, когда асинхронная машина работает при скольжении ротора, равном s.

А. Частота скольжения. Ток Іх, текущий по обмотке статора, создает намагничивающую силу Fx и соответственно магнитное поле, вращающиеся в статоре со скоростью пх = 60 f/p [см. (21-18)].

Скорость вращения ротора п зависит от режима работы машины (рис. 24-1, а, б, в). Ріо независимо от этого можно себе представить, что ротор неподвижен (п = 0), а поле статора вращается относительно

Соответственно этой скорости в обмотке ротора наводится э. д. с.,

305

Таким образом, частота э. д. с., наводимой полем в обмотке ротора, равна частоте сети, умноженной на скольжение. Такой же будет и частота тока в обмотке ротора.

При работе асинхронной машины двигателем частота /2 обычно

или э. д. с., наводимая во вращающемся роторе, равна э. д. с., наводимой в неподвижном роторе, умноженной на скольжение.

Индуктивное сопротивление x2s обмотки ротора

рассеянию.

Таким образом, индуктивное сопротивление вращающегося ротора равняется индуктивному сопротивлению неподвижного ротора, умно­ женному на скольжение.

Для простоты можно считать, что активное сопротивление обмотки

хотя в ряде конструкции оно зависит от скорости пересечения маг­ нитным потоком проводников обмотки ротора, т. е. от скольжения

(см. гл. 28).

В. Токи и намагничивающая сила обмотки ротора. По закону Ома

Е„

(24-6)

2s

При протекании по обмотке ротора ток / 2 образует намагничиваю­ щую силу F2 и соответственно магнитное поле, вращающееся относи­ тельно ротора со скоростью п2 = n^s [формула (24-1)].

Кроме того, сам ротор вращается со скоростью п, причем из формулы (22-Іа)

Поэтому скорость вращения намагничивающей силы ротора относительно статора, т. е. в пространстве, равна сумме скоростей вращения

n2-f- п = Пі (1 —s) — пъ (24-8)

т. е. намагничивающая сила ротора вращается в статоре с такой же скоростью и в ту же сторону, что и намагничивающая сила

306